專利名稱：直動型大流量方向流量伺服閥及應用該伺服閥的控制系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于伺服閥設計制造技術領域，特別涉及一種直動型大流量方向流量伺服閥及應用該伺服閥的控制系統。
背景技術：
現有的方向流量伺服閥，多為電液比例直動式或先導式伺服閥，其由力矩馬達或動圈式電磁鐵，驅動一級單噴嘴擋板，雙噴嘴擋板，射流噴嘴結構的先導閥，再經二級、三級放大。由液壓力差來推動大流量滑閥閥芯(大直徑閥芯)做軸向位移、軸向位移量通過差動變壓器(位移傳感器)來測定閥芯的零位和位移方向及位移量。其閥芯響應速度低，位移控制精度低，重復精度差，零定位漂移，特別是油液溫度零位漂移更大。并且由于所用力矩馬達或動圈電磁鐵，是用電流和電壓作為控制量，所以與微機進行脈沖數字通訊時，要進行數/模(A/D)轉換，其響應速度慢，計算誤差大，而且很難和數字計算機或以太網直接雙向數據交換，因此很難在高端領域的自動化控制中得到較理想的應用。·為解決上述問題，中國專利CN101603876A公開了一種電液激振器振動波形控制系統，該控制系統包括一種并聯伺服閥，該并聯伺服閥由零偏伺服電機控制凸輪機構推動并聯伺服閥閥芯滑動；這種伺服閥由于直接由伺服電機進行控制，其可以做到閥芯響應速度快，控制誤差較小。但是，該伺服閥未能解決零位定位的問題，現有采用伺服電機控制閥芯的伺服閥來說，其零位定位通過在伺服電機上的旋轉編碼器把閥芯的零位和實時位移數據對比，通過反饋線輸入控制器，構成半閉環實現零位控制。但是，實時位移需要控制閥芯的凸輪軸反復旋轉才能夠確定，其調節時間較長，同時閥芯隨著凸輪軸左右漂移，導致液壓系統穩定性差。
實用新型內容為此，本實用新型所要解決的技術問題在于現有的直動型大流量方向流量伺服閥的零位定位的調節時間較長，并且調節零位時，液壓系統穩定性較差的問題，進而提供一種零位定位調節速度快的方向流量伺服閥。為解決上述技術問題，本實用新型公開一種直動型大流量方向流量伺服閥，其包括，閥體，所述閥體內設有閥芯，控制所述閥芯移動的伺服電機，以及設置于所述伺服電機與所述閥體之間的凸輪機構，所述凸輪機構設置于凸輪箱內，所述凸輪機構包括由所述伺服電機驅動的凸輪軸，所述凸輪軸包括偏心段以及驅動段，所述閥芯的一端壓靠于所述偏心段的軸面上，所述驅動段的軸面上設有零位感應頭；所述凸輪箱上設置有與所述零位感應頭配合的感應傳感器，所述感應傳感器用于連接至控制器，所述控制器接受所述感應傳感器的信號，控制所述伺服電機轉動，對所述閥芯進行零位定位。上述直動型大流量方向流量伺服閥中，所述伺服電機驅動減速器，所述減速器的輸出軸驅動所述凸輪軸；其中，所述輸出軸與所述閥芯垂直設置。上述直動型大流量方向流量伺服閥中，所述零位感應頭為螺紋連接于所述驅動段的圓頭螺釘，所述感應傳感器為接近傳感器。上述直動型大流量方向流量伺服閥中，所述伺服閥為直動型三位四通的零開口閥，所述閥芯與所述閥體之間設有五段互相貼合連接的閥套，所述閥套上分別開設有連通進油口 P，回油口 T，以及執行機構進油口 A/B，執行機構出油口 B/A的通孔；所述閥芯的周向上設置節流凹槽，所述節流凹槽對應所述執行機構進油口 A/B，執行機構出油口 B/A的兩側控制邊處的流量到所述執行機構進油口 A/B，所述執行機構出油口 B/A中間位置處的流量呈線性關系。上述直動型大流量方向流量伺服閥中，所述節流凹槽為菱形凹槽，所述菱形凹槽相對的頂點分別設置于所述執行機構進油口 A/B，以及所述執行機構出油口 B/A的兩側的控制邊上；所述菱形凹槽形成三角形通流截面。上述直動型大流量方向流量伺服閥中，所述閥體在遠離所述凸輪機構的另一側與端蓋密封連接，所述端蓋內設有壓靠于所述閥芯的彈性件。上述直動型大流量方向流量伺服閥中，所述凸輪軸遠離所述輸出軸的一端伸出所 述凸輪箱外部；其端部固定連接有具有刻度值的復位手輪。本實用新型同時公開一種應用上述伺服閥的控制系統，其包括，與所述伺服閥上的伺服電機電連接的控制器，與所述伺服閥連接的液壓執行機構，以及用于檢測所述液壓執行機構位置信息的位置檢測裝置，所述位置檢測裝置采集到的所述液壓執行機構的位置、方向、速度信息輸入至所述控制器，所述控制器根據采集的信息與設定信息對比后，控制所述伺服電機旋轉，進而控制所述伺服閥的所述閥芯移動，最終實現所述液壓執行機構位置、方向、速度調節。上述控制系統中，所述控制器通過驅動器驅動所述伺服電機。上述控制系統中，所述液壓執行機構為液壓缸或液壓馬達，所述位置檢測裝置對應為直線編碼器或旋轉編碼器。本實用新型的上述技術方案相比現有技術具有以下優點(I)本實用新型的伺服閥的閥芯采用直動型閥芯結構，對油液清潔度、油溫、使用環境都與普通液壓件的標準相同，降低了使用成本。本實用新型的閥芯通過伺服電機控制凸輪機構實現的，伺服電機后端裝有旋轉編碼器，可直接采集到閥芯零位和正反位移的脈沖數據，并反饋到微機控制器，閥芯零定位準確度為O. 0001，無溫度零漂，重復精度高達
O.OOlmm0同時伺服電機可以直接與現場總線、以太網、遙控脈沖控制器進行雙向數據通訊，而無需A/D轉換，所以響應快，控制精度準確，易于自動化控制和無人控制。凸輪機構的凸輪軸上設置用于零位定位的定位機構，其包括設置于凸輪軸驅動段軸面上的零位感應頭和設置于凸輪箱上的感應傳感器，所述感應傳感器連接至控制器，所述控制器接受所述感應傳感器的信號，控制所述伺服電機轉動，對所述閥芯進行零位定位。所述伺服電機的上端的旋轉編碼器可以把閥芯的零位和實時位移數據，反饋至控制器，構成半閉環控制。所以閥芯零位定位準確，無溫度零位漂移，使油缸活塞桿(油馬達輸出軸)控制精度高，響應快，重復精度高。當控制器發出閥芯回零指令時，設計有感應傳感器和零位感應頭，使伺服電機在零位感應頭附近的小范圍內，很快找到零位。(2)并且，該伺服閥與伺服電機采用集成式的結構形式，相比現有的液壓控制系統設計中需要專門對伺服閥與伺服電機進行匹配的方式，零位漂移，重復精度更容易保證，并且生產裝配成本低。(3)本實用新型伺服閥中閥芯與閥體的配合采用分斷結構的閥套與閥芯的配合形式，其相比整體式結構的閥芯與閥體來說，四個控制邊的尺寸在制造中可分別測量，保證尺寸一致，閥芯與閥套的工藝性容易保證，這樣可以使四個控制邊均為零遮蓋，使控制無盲區，響應速度高。并且閥芯采用線切割割出菱形的節流凹槽，而菱形凹槽和閥套內孔構成的三角形開口起節流口作用，壓力流量曲線在開啟關閉時都有一定的斜面，沒有震動，控制平穩，消除了壓力流量跳躍。并且菱形的節流凹槽使閥芯移動軸向液壓力減小了 60%-70%，再經減速器減速增扭后保證了閥芯無卡死現象，提高了可靠性。(4)本實用新型的伺服閥的凸輪軸在遠離所述輸出軸的一端的端部固定連接有具有刻度值的復位手輪，當系統出現故障時，可用手動旋轉手輪，使閥芯回到原位，使液壓執行機構復位。
為了使本實用新型的內容更容易被清楚的理解，下面根據本實用新型的具體實施例并結合附圖，對本實用新型作進一步詳細的說明，其中圖I是本實用新型的直動型大流量方向流量伺服閥的剖面圖；圖2是本實用新型的互相配合的閥芯和閥套的立體圖；圖3是本實用新型的位置控制系統的結構示意圖；圖4是應用本實用新型的伺服閥的三個油缸組成X，Y，Z三軸空間曲線插補運動控制系統。圖5是應用本實用新型的伺服閥的六伸縮桿六自由度加工機械手的控制系統。圖中附圖標記表示為I-閥體，2-閥芯，21-節流凹槽，3-伺服電機，4_凸輪軸，41-驅動段，42-偏心段，5-零位感應頭，6-減速機，7-輸出軸，8-閥套，9-感應傳感器，10-端蓋，11-箱體，12-復位手輪，13-液壓執行機構，14-位置檢測裝置，15-彈性件，16-控制器，17-驅動器。
具體實施方式
以下將結合附圖，使用以下實施例對本實用新型進行進一步闡述。實施例I圖I為本實用新型公開的直動型大流量方向流量伺服閥，其包括，閥體1，所述閥體I內設有閥芯2 ;控制所述閥芯2移動的伺服電機3，以及設置于所述伺服電機3與所述閥體I之間的凸輪機構，所述凸輪機構設置于凸輪箱11內，所述凸輪箱11分別與所述閥體I以及所述伺服電機3密封連接。所述凸輪機構包括由所述伺服電機3驅動的凸輪軸4，所述凸輪軸4包括偏心段42以及驅動段41，所述閥芯2的一端壓靠于所述偏心段42的軸面上，所述驅動段41的軸面上設有零位感應頭5 ;所述凸輪箱11上對應所述零位感應頭5設有感應傳感器9，所述感應傳感器9用于連接至控制器，所述控制器接受所述感應傳感器9的信號，控制所述伺服電機3轉動，對所述閥芯2進行零位定位。其中，所述零位感應頭5為螺紋連接于所述驅動段41的圓頭螺釘，所述感應傳感器9為接近傳感器。所述伺服電機3的上端置有磁柵旋轉編碼器可以把閥芯的零位和實時位移數據，反饋至控制器52，構成半閉環控制。所以閥芯零位定位準確，無溫度零位漂移，可以 使油缸活塞桿(油馬達輸出軸)控制精度高，響應快，重復精度高。當所述控制器16發出閥芯回零指令時，所述感應傳感器9通過感應所述零位感應頭5 (圓頭螺釘)的位置，將所述凸輪軸4的位置信息傳輸至所述控制器16，控制器16控制所述伺服電機3在所述圓頭螺釘附近的小范圍內，很快找到零位。所述伺服電機3驅動減速器6實現減速增扭，所述減速器6的輸出軸7驅動所述凸輪軸4 ;其中，所述輸出軸7與所述閥芯2垂直設置。所述伺服閥為直動型三位四通的零開口閥。所述閥芯2與所述閥體I之間設有五段互相貼合連接的閥套8，如圖2所示。所述閥套8上分別開設有連通進油口 P，回油口 T，以及執行機構進油口 A/B，執行機構出油口 B/A的通孔；所述閥芯2周向上設置節流凹槽21，如圖2所示，所述節流凹槽21對應所述執行機構進油口 A/B，執行機構出油口 B/A的兩側控制邊處的流量到所述執行機構進油口 A/B，所述執行機構出油口 B/A中間位置處的流量成線性關系。所述閥芯2在執行機構進油口 A/B，執行機構出油口 B/A圓周上分別加工有四個三角形凹面，沿軸向凹面的兩端尖角最小，中間最寬最深，所述兩尖角之間的距離E/D/F與所述閥套8的控制邊之間的距離e/d/f對應相等，構成四條零遮蓋控制邊。優選的，所述凹槽21為菱形凹槽，所述菱形凹槽相對的頂點分別設置于所述執行機構進油口 A/B，以及所述執行機構出油口 B/A的兩側的控制邊上；所述菱形凹槽形成三角形通流截面。工作時，所述閥芯2左移，高壓油P 口與B 口相通，A 口與回油口 T相通。反之閥芯向右移動，高壓油P 口與A 口相通，B 口與回油口 T相通，所述閥芯左右移動的量，由小到大，使閥芯上的三角斜凹面與閥套內孔形成的三角通流截面也由小變大，使流量由小變大。所述四個零遮蓋控制邊，閥芯采用線切割割出斜凹面，而所述閥套8采用分斷結構，從而使四個控制邊的尺寸在制造中可分別測量，保證尺寸一致，使能四個控制邊均采用零遮蓋。以上表征的四邊零遮蓋，使控制無盲區，響應速度高。所述菱形凹槽和所述閥套8內孔構成的三角形節流口，使壓力流量曲線在開啟關閉時都有一定的斜面，沒有震動，控制平穩，消除了壓力流量跳躍。所述閥體I在遠離所述凸輪機構的另一側通過螺釘與端蓋10密封連接，所述端蓋10內設有壓靠于所述閥芯2的彈性件15。在所述彈性件15的彈簧壓力的作用下，使所述閥芯2右端球面始終壓向所述偏心段42的軸面上。所述凸輪軸4遠離所述輸出軸7的一端伸出所述凸輪箱11外部；其端部固定連接有具有刻度值的復位手輪12。指示刻度盤的刻度值的指針由螺釘固定在軸承蓋上。在初期調試時，可以用肉眼直接觀看所述伺服電機3的轉角和轉數、轉速、轉向。當系統控制出現故障時，可用手動旋轉復位手輪12，并使所述閥芯2回到零位，至使液壓執行機構(例如液壓缸)復位。圖3為本實用新型公開的應用上述伺服閥的控制系統，其包括，與所述伺服閥上的伺服電機3電連接的控制器16，與所述伺服閥連接的液壓執行機構13，以及用于檢測所述液壓執行機構13的位置檢測裝置14。本實施方式中，所述液壓執行機構13是液壓缸，所述位置檢測裝置14為直線編碼器。所述位置檢測裝置14采集到的所述液壓執行機構13的位移方向、速度、位置數據輸入至所述控制器16，所述控制器16根據采集的信息與設定的位置信息對比后，控制所述伺服電機3旋轉，進而對所述閥芯2移動量進行修正補償，最終實現所述液壓執行機構13方向、速度、位置調節。所述控制器16通過驅動器17驅動所述伺服電機3。本實施方式中所述液壓執行機構13為液壓缸，所述位置檢測裝置14對應為直線編碼器。應用了該伺服閥的位置控制系統的工作過程為所述控制器16設定出運動曲線、輸出脈沖指令，輸入至驅動器17，所述驅動器17把參數進行功率放大后，把脈沖數、脈沖頻率、脈沖方向輸入所述伺服電機3，所述伺服電機3的輸出軸按指令旋轉，并通過所述減速器6，帶動所述凸輪軸4同步旋轉，所述凸輪軸4的所述偏心段42驅動所述閥芯2左右移動。當所述閥芯2向右移動時，打開PA孔和BT孔，高壓油P通過油管進入所述液壓缸的下腔，液壓缸13上腔的回油通過入油孔B，并通過BT腔通過孔T回油箱，所述液壓缸13的活塞桿上行，所述活塞桿通過剛性連接件拖動直線編 碼器14的讀碼頭同步上行，讀碼頭把采集到的所述液壓缸13運動方向、速度、長度數據通過反饋導線輸入所述控制器16，所述控制器16把設定參數與采集參數比較，功率放大后，再把參數輸入所述驅動器17對所述伺服電機3轉角進行修正和補償，直到所述液壓缸13的運動參數與設定參數完全一致，以此完成了伺服實時控制。反之，當所述閥芯2向左移動，打開PB腔和AT腔，高壓泊P通過油管進入液壓缸的上腔，下腔的油通過油管進入A孔，并通過AT腔從T孔流回油箱，所述液壓缸13的活塞桿下行，所述活塞桿通過剛性聯接件拖動直線編碼器13的讀碼頭同步下行，所述讀碼頭把采集到的液壓缸運動方向、速度、長度數據，通過反饋導線輸入控制器16，經數據比對，功率放大后輸入所述驅動器17對所述伺服電機3轉角進行修正和補償，直到所述液壓缸13的反向運動參數與設定參數完全一致。所述控制器16采取增量式脈數調制(P匪)，控制所述伺服電機3的轉速和轉角(SP等于閥芯的位移速度和位移量)、脈數調制(P匪)是在脈數信號的基礎上，使每個采樣周期的步數在前一采樣周期步數上增加或減少一些步數(轉速和轉角)，達到活塞運動方向、速度、位置逼近設定值。這一功能的實現還取決于所述閥芯2的兩段所述節流凹槽21與所述閥套8形成的三角形油道具有高壓油和回油雙節流功能，即所述伺服電機3和所述凸輪軸4的轉角越大，所述閥芯2的軸向移動量越大，節流三角油口就越大，所述液壓執行機構13(油缸活塞桿或油馬達輸出軸)速度越大，直至最大。反之，所述伺服電機3和所述凸輪軸4的轉角越小，運動速度越小，直至零位停止。當控制器發出任意位置停止的指令，所述伺服電機3會使所述凸輪軸4向零位運動,此時所述感應傳感器9感應到所述零位感應頭5的位置，使所述凸輪軸4在所述零位感應頭5的小范圍內迅速找到零位，至使所述閥芯2會關閉PABT四個邊、液壓缸上腔、下腔的油封死,則液壓缸停止。該伺服系統也可以接受以太網或遙控系統及其它自動化控制系統采集到的數據、通過數據輸入線，把數據輸入控制器進行實時伺服控制。實施例2如圖4所示，采用一個所述控制器16，三個所述驅動器17和三個本實施例I中所述的流量伺服閥、三個所述液壓執行機構13 :液壓缸(油馬達〉、以及三個所述位置檢測裝置14:直線編碼器(旋轉編碼器)就可以實現三個液壓缸(油馬達)進行空間曲線的插補聯動實時控制。實施例3 如圖5所示，采用一個所述控 制器16，六個所述驅動器17和六個實施例I所述伺服閥，六個所述液壓執行機構13 :執行液壓缸(油馬達)、六個所述位置檢測裝置14 :直線編碼器(旋轉編碼器)、就可以實現六自由度液壓重載機械手或加工機械手的并聯伺服控制，開創一個在超大重型工業裝備、軍用裝備的液壓伺服機械應用新領域，實現多軸聯動液壓伺服控制。如雷達跟蹤、衛星導航、無人駕駛、船舶減遙，船載導彈自動瞄準發射等裝備的液壓伺服控制。在其他實施方式中，所述位置檢測裝置14還可以是位移傳感器用于檢測位移，同時，所述液壓執行機構13還可以根據應用場合選用液壓馬達，此時，所述編碼器14對應為旋轉編碼器。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型創造的保護范圍之中。
權利要求1.一種直動型大流量方向流量伺服閥，其包括， 閥體(1)，所述閥體(I)內設有閥芯(2)； 控制所述閥芯(2)移動的伺服電機(3)； 以及設置于所述伺服電機(3)與所述閥體(I)之間的凸輪機構，所述凸輪機構設置于凸輪箱(11)內；其特征在于 所述凸輪機構包括由所述伺服電機(3)驅動的凸輪軸(4)，所述凸輪軸(4)包括偏心段(42)以及驅動段(41)，所述閥芯(2)的一端壓靠于所述偏心段(42)的軸面上，所述驅動段(41)的軸面上設有零位感應頭(5);所述凸輪箱(11)上設置有與所述零位感應頭(5)配合的感應傳感器(9 )，所述感應傳感器(9 )用于連接至控制器(16 )，所述控制器(16 )接受所述感應傳感器(9 )的信號，控制所述伺服電機(3 )轉動，對所述閥芯(2 )進行零位定位。
2.根據權利要求I所述的直動型大流量方向流量伺服閥，其特征在于 所述伺服電機(3 )驅動減速器(6 )，所述減速器(6 )的輸出軸(7 )驅動所述凸輪軸(4 );其中，所述輸出軸(7)與所述閥芯(2)垂直設置。
3.根據權利要求I或2所述的直動型大流量方向流量伺服閥，其特征在于 所述零位感應頭(5)為螺紋連接于所述驅動段(41)的圓頭螺釘，所述感應傳感器(9)為接近傳感器。
4.根據權利要求3所述的直動型大流量方向流量伺服閥，其特征在于 所述伺服閥為直動式三位四通的零開口閥，所述閥芯(2)與所述閥體(I)之間設有五段互相貼合連接的閥套(8)，所述閥套(8)上分別開設有連通進油口 P，回油口 T，以及執行機構進油口 A/B，執行機構出油口 B/A的通孔；所述閥芯(2)的周向上設置節流凹槽(21)，所述節流凹槽(21)對應所述執行機構進油口 A/B，執行機構出油口 B/A的兩側控制邊處的流量到所述執行機構進油口 A/B，所述執行機構出油口 B/A中間位置處的流量呈線性關系。
5.根據權利要求4所述的直動型大流量方向流量伺服閥，其特征在于 所述節流凹槽(21)為菱形凹槽，所述菱形凹槽相對的頂點分別設置于所述執行機構進油口 A/B，以及所述執行機構出油口 B/A的兩側的控制邊上；所述菱形凹槽形成三角形通流截面。
6.根據權利要求5所述的直動型大流量方向流量伺服閥，其特征在于 所述閥體(I)在遠離所述凸輪機構的另一側與端蓋(10)密封連接，所述端蓋(10)內設有壓靠于所述閥芯(2)的彈性件(15)。
7.根據權利要求6所述的直動型大流量方向流量伺服閥，其特征在于 所述凸輪軸(4)遠離所述輸出軸(7)的一端伸出所述凸輪箱(11)外部；其端部固定連接有具有刻度值的復位手輪(12)。
8.一種應用權利要求1-7任一所述伺服閥的控制系統，其特征在于 其包括，與所述伺服閥上的伺服電機(3)電連接的控制器(16)， 與所述伺服閥連接的液壓執行機構(13)， 以及用于檢測所述液壓執行機構(13)位置信息的位置檢測裝置(14)， 所述位置檢測裝置(14)采集到的所述液壓執行機構(13)的位置、方向、速度信息輸入至所述控制器(12)，所述控制器(12)根據采集的信息與設定信息對比后，控制所述伺服電機(3)旋轉，進而控制所述閥芯(2)移動，最終實現所述液壓執行機構(13)位置、方向、速度調節。
9.根據權利要求8所述的控制系統，其特性在于 所述控制器(16 )通過驅動器(17)驅動所述伺服電機(3 )。
10.根據權利要求8或9所述的控制系統，其特性在于 所述液壓執行機構(13)為液壓缸或液壓馬達，所述位置檢測裝置(14)對應為直線編碼器或旋轉編碼器。
專利摘要本實用新型公開了一種直動型大流量方向流量伺服閥，同時公開應用上述伺服閥的控制系統。該伺服閥的閥芯是由伺服電機驅動的凸輪軸進行推動的，所述凸輪軸包括偏心段以及驅動段，所述閥芯的一端壓靠于所述偏心段的軸面上，所述驅動段的軸面上設有零位感應頭；所述凸輪箱設有與所述零位感應頭配合的感應傳感器，所述感應傳感器用于連接至控制器，所述控制器接受所述感應傳感器的信號，控制所述伺服電機在小范圍內往復轉動，對所述閥芯進行零位定位。該伺服閥的響應速度快，控制精度高。同時，閥芯零定位準確度高，無溫度零漂，重復精度高；并且零位定位調節時間短，并且調節零位時，液壓系統較穩定。
文檔編號F15B13/044GK202707658SQ20122040823
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月16日 優先權日2012年8月16日
發明者孫勇 申請人:北京潤菲利德科技有限公司